Förderung des Potenzials der Fusion für die Energieerzeugung

Der wachsende Bedarf an kostengünstiger und nachhaltiger Energie stellt eine besondere Herausforderung dar. Europäische Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Projekt FIREFELM haben daher an der Verbesserung des Potenzials der Kernfusion für die Energieerzeugung gearbeitet.

Grundlagenforschung

Weltraum

Die Kernfusion hat das Potenzial, fossile Energiequellen zu ersetzen und den Energiebedarf der Weltbevölkerung zu decken. Sie ist die Ursache dafür, dass die Sonne und alle leuchtenden Sterne Energie abstrahlen. Diese Energie wird durch die Verschmelzung zweier Wasserstoff-Isotope erzeugt – Deuterium, das aus Wasser gewonnen wird, und Tritium, das aus der Erdkruste gewonnen wird. Für eine Nachbildung dieses Fusionsprozesses auf der Erde sind jedoch extrem hohe Temperaturen zur vollständigen Ionisierung der fusionierenden Atome erforderlich. Dies geschieht in Fusionsanlagen mit magnetischem Einschluss (Tokamaks und Stellaratoren), welche die Fusionsenergie als Wärme nutzen und durch Turbinen und Generatoren zunächst in Dampf und anschließend in Elektrizität umwandeln. Der gesamte Prozess ist jedoch durch magnetohydrodynamische Instabilitäten gekennzeichnet, die als am Rand lokalisierte Moden (Edge Localised Modes, ELMs) bekannt sind und zu Wärme- und Partikelverlusten führen sowie die Lebensdauer dieser Fusionsreaktoren begrenzen.

Untersuchung des Phänomens der ELMs

Mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen untersuchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im EU-finanzierten Projekt FIREFELM das ELM-Phänomen, indem sie hochauflösende Messungen mit modernsten numerischen Werkzeugen kombinierten. „ELMs stoßen Teilchen und Energie aus dem Plasma aus, ähnlich wie Eruptionen am Rand der Sonne. Das Verständnis und die Kontrolle oder sogar die Unterdrückung der ELMs ist für die erfolgreiche Realisierung der Fusion von zentraler Bedeutung“, erklärt die Forschungsstipendiatin Eleonora Viezzer. Im Rahmen des Projekts FIREFELM modellierten Forschende die Transportkanäle innerhalb eines Tokamaks und beleuchteten damit das dynamische Verhalten der Transportkoeffizienten während des ELM-Zyklus. Sie entdeckten, dass sich Ionen und Elektronen unterschiedlich schnell vom Wärmetransport erholen, wobei die Elektronen vergleichsweise langsamer sind. Dieser Umstand deutete darauf hin, dass der durch die ELMs verursachte Energieverlust die Erholung des Temperaturgradienten der Elektronen verzögert. Die Ergebnisse legten außerdem nahe, dass das Kernplasma die lokale Dynamik der Erholung des Temperaturgradienten der Elektronen während des ELM-Zyklus bestimmen kann. Darüber hinaus ermittelte das Forschungsteam einen Resonanzmechanismus zwischen den Strahlionenbahnen und den parallelen elektrischen Feldern, der mit den ELMs in Verbindung gebracht werden könnte. Dem Team gelang es erstmals, die Beschleunigung von Strahlionen auf dem Tokamak ASDEX Upgrade zu beobachten. Durch numerische Simulationen von schnellen Ionen (Teilchen mit suprathermischer Energie) und ein analytisches Modell haben die Forschenden die experimentellen Beobachtungen qualitativ reproduziert.

Auswirkungen und Zukunftsaussichten der FIREFELM-Projektarbeiten

Die Fusion kann eine saubere, sichere und lebensfähige Energiequelle ohne CO2-Emissionen ermöglichen. Deuterium kommt in unseren Ozeanen vor und Tritium kann aus Lithium, das in der Erdkruste vorhanden ist, gewonnen werden, was die Fusion zu einer praktisch unbegrenzten Energiequelle macht. Derzeit werden im Projekt ITER große internationale Anstrengungen unternommen, um den Fusionsprozess voranzutreiben und bestehende Tokamak-Maschinen in die Fusionskraftwerke der Zukunft zu übertragen. Da ELMs ein ernsthaftes Hindernis für den stationären Betrieb dieser zukünftigen Fusionsanlagen darstellen, ist die Arbeit des Projekts FIREFELM von größter Bedeutung für die Abschwächung dieser Phänomene. „Die Identifizierung der vorherrschenden Transportmechanismen wird uns helfen, den ELM-Zyklus besser zu verstehen und Regimes mit hohem Einschluss ohne ELMs zu entwickeln“, fährt Viezzer fort. Die Ergebnisse von FIREFELM fördern unser Verständnis der beobachteten Teilchenbeschleunigung und des Teilchentransports in der Sonnenkorona und tragen dazu bei, Ähnlichkeiten zwischen Tokamak- und astrophysikalischen Plasmen zu erkennen. Viezzer setzt diese Forschungslinie zur Entwicklung von Steuerungstechniken für ELMs mithilfe des Starting Grants des Europäischen Forschungsrates im Projekt 3D-FIREFLUC fort.

Schlüsselbegriffe

FIREFELM, Fusion, am Rand lokalisierte Moden (ELMs), Tokamak, Deuterium, Tritium

Mastering the energetic particle distribution in a magnetohydrodynamic active plasma

Förderung des Potenzials der Fusion für die Energieerzeugung

Untersuchung des Phänomens der ELMs

Auswirkungen und Zukunftsaussichten der FIREFELM-Projektarbeiten

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